KR200304017Y1 - System utilizing dynamic beam forming for wireless communication signals - Google Patents
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Abstract
본 고안은 무선 네트워크에서의 무선 통신 신호에 적합한 동적 빔 성형을 이용하는 시스템에 관한 것이다. 기지국 및/또는 UE에는 빔 성형 선택의 범위가 있는 안테나 시스템이 설치된다. 관련 기지국 및 UE 위치는 빔 성형을 결정하는데 이용되는 기준의 한 유형이다.The present invention relates to a system using dynamic beamforming suitable for wireless communication signals in a wireless network. The base station and / or the UE is equipped with an antenna system with a range of beamforming choices. The relevant base station and UE location is one type of criteria used to determine beam shaping.
Description
본 고안은 무선 통신 분야에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 무선 네트워크에서, 무선 통신 신호 전송 및/또는 수신에 적합한 동적 빔 성형을 이용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of wireless communications, and more particularly, to a method and system using dynamic beamforming suitable for wireless communication signal transmission and / or reception in a wireless network.
무선 전기 통신 시스템은 종래에 잘 알려져 있다. 통상적으로, 기지국은 다수의 가입자 유닛을 위해 무선 통신을 제공할 것이다. 기지국은 통상 가입자 시스템과의 다중 통신을 동시에 처리할 것이다. 기지국의 수용 능력의 척도는 기지국이 지원할 수 있는 동시 통신의 최대수이며 이는 가용 전력 및 대역폭과 같은 것에 의해 결정되는 요소이다.Wireless telecommunication systems are well known in the art. Typically, a base station will provide wireless communication for multiple subscriber units. The base station will typically handle multiple communications simultaneously with the subscriber system. A measure of a base station's capacity is the maximum number of simultaneous communications that a base station can support, which is a factor determined by such things as available power and bandwidth.
모든 가입자가 동시에 기지국과 통신하는 것이 아니기 때문에, 기지국은 동시 통신에 대한 그 수용 능력을 초과하여 다수의 가입자에게 무선 서비스를 제공할 수 있다. 기지국에서 최대수의 동시 통신이 수행되면, 추가 통신을 수립하기 위한 시도에 의해 시스템 통화중 신호(busy signal)와 같은, 서비스 불능이 표시될 것이다.Since not all subscribers communicate with the base station at the same time, the base station can provide wireless service to multiple subscribers beyond its capacity for simultaneous communication. If the maximum number of simultaneous communications are performed at the base station, out of service, such as a system busy signal, will be indicated in an attempt to establish additional communications.
기지국에 의한 서비스 커버리지는 동시 통신을 처리할 수 있는 기지국의 수용 능력에 제한될 뿐만니라, 특정한 지리상의 구역에도 본래 제한된다. 기지국의 지리 범위는 통상 기지국의 안테나 시스템의 위치와 기지국에 의해 동시 통신하는 신호의 전력에 의해 정해진다.Service coverage by a base station is not only limited to the base station's capacity to handle concurrent communications, but also inherently limited to certain geographic areas. The geographic range of a base station is usually determined by the location of the antenna system of the base station and the power of the signals simultaneously communicated by the base station.
광대한 지리 구역에 걸쳐 무선 서비스를 제공하기 위해서, 통상적으로 무선 시스템에는 다수개의 기지국이 설치된다. 각 기지국은 시스템에 의해 커버되는 전체 지리 구역의 특정 부분에 커버리지를 제공하기 위해 물리적으로 배치된 안테나 시스템을 선택적으로 구비한다. 상기 시스템은 진행되는 무선 통신의 단절없이 한 기지국의 범위를 이탈하여 다른 기지국으로 이동할 수 있는 이동(mobile) 가입자를 위한 무선 서비스도 용이하게 제공한다. 상기 네트워크에서, 기지국에 의해 커버되는 지리 구역을 주로 셀이라고 부르고 제공되는 전화 통신 서비스를 주로 이동 전화 서비스하고 부른다.In order to provide wireless service over a vast geographic area, a wireless system is typically equipped with multiple base stations. Each base station optionally has an antenna system that is physically disposed to provide coverage to a particular portion of the overall geographic area covered by the system. The system also easily provides a wireless service for a mobile subscriber that can move out of range of one base station to another base station without interruption of ongoing wireless communication. In this network, the geographic area covered by the base station is often called a cell and the telephony services provided are mainly called mobile phone services.
3GPP(3rd Generation Partnership Program)의 현 규격에 따라 구성된 시스템은 상기 서비스를 제공하도록 설계된다. 상기 시스템에 있어서, 통상의 전송 기지국은 "노드 b"라고 알려져 있고, 그 반대되는 개념으로서, 통상의 가입자 유닛이나 모바일은 사용자 장치(UE)라고 알려져 있다.Systems configured according to the current specifications of the 3rd Generation Partnership Program (3GPP) are designed to provide such services. In such a system, a typical transmitting base station is known as "node b" and vice versa, a typical subscriber unit or mobile is known as a user equipment (UE).
특정 지리학상 구역을 커버할 수 있는 전기 통신 시스템을 설계함에 있어서, 지리학상 구역은 소정 패턴의 셀로 분할될 수 있다. 예컨대, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 6각형 셀로 정해져서 벌집 패턴으로 전체 지리 구역을 커버할 수 있다. 상기 시스템에서, 각각의 셀은 360°커버리지를 제공하도록 셀의 중심에 안테나가 있는 기지국을 가질 수 있다. 겹치는 구역이 없도록 셀 커버리지의 지도가 설계되겠지만, 사실상 도 1b에 도시하는 바와 같이, 인접 셀의 기지국 안테나로부터, 가상으로 보이는 전송 빔이 중첩된다. 빔 커버리지의 이러한 중첩으로 인해, 이동 UE가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 통신의 "핸드오버(handover)"가 한 기지국에서 다른 기지국으로 이동하는 이동 UE에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 서로 중첩되는 기지국 신호는 UE가 중첩 구역에 위치할 때 UE가 수신하는 신호에 상이한 기지국으로부터 간섭이 발생한다.In designing a telecommunications system that can cover a particular geographic area, the geographic area can be divided into cells of a predetermined pattern. For example, as shown in Fig. 1A, it can be defined as a hexagonal cell to cover the entire geographic area in a honeycomb pattern. In such a system, each cell may have a base station with an antenna at the center of the cell to provide 360 ° coverage. Although a map of cell coverage will be designed so that there is no overlapping area, in fact, as shown in FIG. 1B, a virtually visible transmission beam overlaps from the base station antenna of the adjacent cell. Due to this overlap of beam coverage, a “handover” of communication can be performed by a mobile UE moving from one base station to another when the mobile UE moves from one cell to another. However, base station signals that overlap each other cause interference from different base stations to the signal that the UE receives when the UE is located in the overlap zone.
다양한 이유에서, 셀은 비일정한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 지향성 안테나, 위상 어레이 안테나 또는 다른 종류의 안테나들이 설치되어 전송 및/또는 수신을 위한 기지국 안테나의 빔이 특정 지리 구역의 특수 형태 및 사이즈를 커버할 수 있다. 도 1b에서 기지국(BS')로 표시하는 바와 같이, 셀을 커버하는 성형 빔을제공하기 위하여 지향성 안테나나 위상 안테나 어레이를 사용하여 기지국 안테나를 셀의 엣지에 배치시킬 수 있다. 이 방식은 셀의 엣지상에 모노폴 안테나를 단순히 배치하여 360°통신 빔을 전송하는 것과 대조적으로, 셀 외부에서의 간섭 발생을 피하고 전력을 양호하게 이용할 수 있다는 장점을 얻을 수 있다.For various reasons, the cells may be formed in various irregularities. Directional antennas, phased array antennas, or other types of antennas may be installed so that the beam of the base station antenna for transmission and / or reception may cover a particular shape and size of a particular geographic area. As indicated by the base station BS ′ in FIG. 1B, the base station antenna may be positioned at the edge of the cell using a directional antenna or a phased antenna array to provide a shaped beam covering the cell. This approach offers the advantage of avoiding interference outside the cell and making good use of power as opposed to simply placing a monopole antenna on the edge of the cell to transmit a 360 ° communications beam.
고정된(stationary) 가입자 유닛에게만 서비스하는 무선 통신 시스템과 달리, 이동 사용자와 통신하도록 설계된 시스템은 이동 UE에 대한 서비스가 시스템 내의 임의의 기지국에 의해 정상적으로 제공될 수 있도록 훨씬 복잡한 가용 패턴을 갖는다. 따라서, 특정 기지국은 다른 셀에서부터 그 셀에 들어오는 이동 UE에 의해 최대로 이용될 자신의 수용 능력을 찾을 수 있다.Unlike wireless communication systems that serve only stationary subscriber units, systems designed to communicate with mobile users have a much more complex available pattern so that services for mobile UEs can normally be provided by any base station in the system. Thus, a particular base station can find its capacity to be maximized by a mobile UE coming into that cell from another cell.
본 고안의 고안자는 기지국 및 연관 안테나 시스템을 무선 시스템의 실제 이용에 따라 기지국 전송 및/또는 수신 빔을 재구성하는 데 동적으로 이용할 수 있다는 것을 인식하였다. 따라서 전체 셀 커버리지를 동적으로 변경하여 서비스 요구를 더욱 용이하게 충족시킬 수 있으며 네트워크 통화중 신호를 경험하게 될 미수 통신을 양호하게 피할 수 있다. 이것에 의해 또한, UE가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 통신 열화를 피할 수 있는 "스마트" 핸드오버가 가능하다.The inventors of the present invention have recognized that the base station and associated antenna system can be used dynamically to reconstruct the base station transmit and / or receive beams according to the actual use of the wireless system. Therefore, it is possible to dynamically change the overall cell coverage to more easily meet the service needs, and to avoid a good communication that will experience a network busy signal. This also allows for “smart” handover, which can avoid communication degradation when the UE moves from one cell to another.
동적 빔 성형을 구현하기 위해서, 본 고안자는 이동 UE의 지리학상 위치를 식별하는 종래의 수단, 예컨대 가용 GPS(Global Positioning Satellite) 시스템이나 기지국 삼각측량 기술을 통해 생성된 데이터를 기지국 안테나 시스템의 동적 동작에 유용하게 이용할 수 있다는 점을 인식하였다.In order to implement dynamic beam shaping, the present inventors use the conventional means of identifying the geographic location of a mobile UE, such as dynamic operation of the base station antenna system using data generated via available Global Positioning Satellite (GPS) systems or base station triangulation techniques. It was recognized that it can be usefully used.
무선 전기 통신 시스템은 기지국의 RF 통신 신호를 선택적으로 지향시킨다. 기지국은 복수의 사용자 장치(UE)로 이루어진 무선 RF 통신을 수행한다. UE의 추정 위치가 결정된다. 이어서, UE의 추정 위치와 알고 있는 기지국 안테나 시스템의 위치를 이용해서 상대 위치 데이터가 결정된다. 빔 성형 기준은 상대 위치 데이터를 부분적으로 기초해서 계산된다. 이 지향된 빔이 UE의 추정 위치를 포함하도록 계산된 빔 성형 기준에 따라 UE와 기지국 안테나 시스템 사이의 RF 통신 신호에 적합한 지향된 빔이 성형된다.The wireless telecommunications system selectively directs the RF communication signal of the base station. The base station performs wireless RF communication consisting of a plurality of user equipments (UEs). The estimated position of the UE is determined. The relative position data is then determined using the estimated position of the UE and the position of the known base station antenna system. The beam shaping criterion is calculated based in part on the relative position data. A directed beam suitable for the RF communication signal between the UE and the base station antenna system is shaped according to the beamforming criteria calculated such that the directed beam includes the estimated position of the UE.
스마트 핸드오버를 실시하기 위한 바람직한 무선 통신 시스템은 이동 사용자 장치(UE)와의 무선 RF 통신을 수행하는 복수의 기지국을 포함한다. 각각의 기지국은 복수의 채널 프로세서와 연결된 네트워크 인터페이스를 구비한다. 복수의 모뎀은 각각의 채널 프로세서와 연결된다. RF 모듈은 연관된 안테나 어레이 시스템을 구비하며 모뎀과 연결된다. RF 모듈 안테나 시스템은 소정의 위치에 배치되며 상기 기지국 중 적어도 하나의 기지국의 전송 범위와 중첩되는 지리적 전송 범위를 다른 기지국에 제공한다. 각각의 기지국의 RF 모듈과 동작 가능하게 연관된 빔 성형기는 기지국의 안테나 어레이 시스템가 생성할 수 있는 빔의 범위 내에서 원하는 빔을 성형한다. 지리 위치 프로세서(geolocation processor)는 채널 프로세서와 빔 성형기에 연결된다. 네트워크 인터페이스는 기지국과 상호 동작한다. 지리 위치 프로세서와 관련하여 네트워크 인터페이스는,A preferred wireless communication system for implementing smart handover includes a plurality of base stations for performing wireless RF communication with a mobile user equipment (UE). Each base station has a network interface coupled with a plurality of channel processors. Multiple modems are associated with respective channel processors. The RF module has an associated antenna array system and is connected to the modem. The RF module antenna system is arranged at a predetermined position and provides another base station with a geographical transmission range overlapping the transmission range of at least one of the base stations. A beam shaper operatively associated with the RF module of each base station forms the desired beam within the range of beams that the antenna array system of the base station can generate. A geolocation processor is coupled to the channel processor and beam shaper. The network interface interacts with the base station. In connection with the geolocation processor, the network interface,
a. 선택된 UE의 추정 위치를 포함하는 전송 범위를 가지는 기지국의 안테나 어레이 시스템의 위치 데이터에 대해 선택된 이동 UE의 추정 위치에 대응하는 UE지리 위치 데이터를 처리하고,a. Process UE geographic location data corresponding to the estimated location of the selected mobile UE with respect to the location data of the antenna array system of the base station having a transmission range including the estimated location of the selected UE,
b. 상기 선택된 UE의 추정 위치를 포함하는 전송 범위를 가지는 기지국 중에서 한 기지국을 선택하며,b. Selecting one base station from a base station having a transmission range including an estimated position of the selected UE,
c. 선택된 UE의 추정 위치를 포함하는 성형 빔에서 상기 선택된 UE 위치에 대한 통신 데이터를 상기 선택된 기지국이 전송하도록 상기 선택된 기지국의 빔 성형기에 파라미터를 출력하도록 구성된다.c. And output a parameter to the beam shaper of the selected base station for the selected base station to transmit communication data for the selected UE location in the shaped beam including the estimated position of the selected UE.
선택된 UE의 통신 데이터는 서비스 품질과 데이터 속도 요건을 가질 수 있다. 이 경우, 네트워크 인터페이스와 지리 위치 프로세서는 선택된 UE에 전송된 통신 데이터의 데이터 속도 요건과 서비스 품질에 일부 기초해서 기지국을 선택하도록 구성되는 것이 좋다. 선택된 UE의 지리 위치 데이터는 UE의 추정된 상대 속도 데이터를 포함할 수 있다. 이 경우, 네트워크 인터페이스와 지리 위치 프로세서는 추정 위치에 대응하는 지리 위치 데이터와, 선택된 UE의 추정된 상대 속도 데이터 양쪽을 부분적으로 기초해서 기지국을 선택하도록 구성되는 것이 좋다.The communication data of the selected UE may have quality of service and data rate requirements. In this case, the network interface and the geolocation processor are preferably configured to select the base station based in part on the data rate requirement and the quality of service of the communication data transmitted to the selected UE. The geographic location data of the selected UE may include estimated relative speed data of the UE. In this case, the network interface and the geolocation processor are preferably configured to select the base station based in part on both the geolocation data corresponding to the estimated location and the estimated relative speed data of the selected UE.
각 기지국의 지리 위치 프로세서는 기지국 안테나 어레이 시스템의 소정 위치에 대해 UE 지리 위치 데이터를 처리하여, 선택된 파라미터를 기지국의 빔 성형기에 출력하도록 구성될 수 있고, 상기 빔 성형기는 추정 위치에 대응하는 지리 위치 데이터가 상기 지리 위치 프로세서에 의해 처리되는 선택된 UE의 추정 위치를 포함하는 성형 빔으로 상기 선택된 UE의 통신 데이터를 전송하도록 RF 모듈을 제어한다. 상기 UE의 통신 데이터는 서비스 품질과 데이터 속도 요건을 가지고 있으므로, 각 기지국의 지리 위치 프로세서는 선택된 UE에 전송될 통신 데이터의 데이터속도 요건과 서비스 품질을 부분적으로 기초해서 선택된 UE에 지향된 빔에 대한 빔 성형 파라미터를 계산하도록 구성되는 것이 좋다. UE의 지리 위치 데이터는 UE의 추정된 상대 속도 데이터를 포함하므로, 각 기지국 지리 위치 프로세서는 추정된 위치에 대응하는 지리 위치 데이터와, UE의 추정된 상대 속도 데이터를 부분적으로 기초해서 UE에 지향된 빔에 대한 빔 성형 파라미터를 계산하도록 구성되는 것이 좋다.The geolocation processor of each base station may be configured to process UE geolocation data for a predetermined location of the base station antenna array system and output the selected parameters to the beamformer of the base station, the beamformer corresponding to the estimated location. And control the RF module to transmit communication data of the selected UE in a shaping beam, the data including estimated positions of the selected UE processed by the geolocation processor. Since the communication data of the UE has a quality of service and a data rate requirement, the geolocation processor of each base station is configured for the beam directed to the selected UE based in part on the data rate requirement and the quality of service of the communication data to be transmitted to the selected UE. It is preferably configured to calculate the beam shaping parameters. Since the geolocation data of the UE includes the estimated relative velocity data of the UE, each base station geolocation processor is directed to the UE based in part on the geographical position data corresponding to the estimated position and the estimated relative velocity data of the UE. It is preferably configured to calculate the beam shaping parameters for the beam.
각 기지국의 지리 위치 프로세서는 전송 빔 커버리지 구역(Abeam)을 추정하여, UE의 상대 위치 데이터가 Abeam내에 있도록 위상( Φ)과 전송 전력(P)이 선택된 RF 위상(Φ) 및 전송 전력(P)의 함수로서 전송 빔 성형 파라미터를 계산하도록 구성된다. 각 기지국 안테나 시스템은 동일 위상과 전력에 대해 상이한 빔의 성형들을 제공하는 복수의 모드(M)를 가지므로, 각 기지국 지리 위치 프로세서는 위상(Φ), 전송 전력(P) 및 안테나 시스템 모드(M)의 함수로서 전송 빔 성형 파라미터를 계산하고 위상(Φ), 전송 전력(P) 및 안테나 시스템 모드(M)의 선택된 조합을 나타내는 각각의 빔 성형기에 파라미터를 출력하여 전송 빔 성형을 제어하도록 구성된다.The geolocation processor of each base station estimates the transmit beam coverage area (A beam ), so that the phase (Φ) and transmit power (P) are selected so that the relative position data of the UE is in the A beam , and the transmit power ( Calculate transmission beam shaping parameters as a function of P). Since each base station antenna system has a plurality of modes (M) that provide different beam shapings for the same phase and power, each base station geolocation processor has a phase (Φ), transmit power (P) and antenna system mode (M). Calculate transmit beam shaping parameters as a function of < RTI ID = 0.0 > and < / RTI > output the parameters to each beam shaper representing a selected combination of phase (Φ), transmit power (P) and antenna system mode (M) to control transmit beam shaping. .
각 기지국 지리 위치 프로세서는 또한 기지국의 빔 성형기에 선택된 파라미터를 출력하도록 구성될 수 있고, 기지국의 빔 성형기는 UE의 추정 위치에 대응하는 지리 위치 데이터가 상기 지리 위치 프로세서에 의해 처리되는 UE의 추정 위치를 포함하는 성형 빔에서 상기 선택된 UE의 통신 데이터를 전송 또는 수신하도록RF 모듈을 제어한다. 이 경우, 각 기지국 RF 모듈은 수신 빔 커버리지의 구역을 추정하여, UE의 상대적 위치 데이터가 수신 빔 커버리지의 구역 내에 있도록 위상이 선택된 RF 위상의 함수로서 수신 빔 성형 파라미터를 계산하도록 구성되는 것이 좋다. 각 기지국 안테나 시스템은 동일 위상에 대해 수신 빔의 상이한 성형을 제공하는 복수의 수신 모드를 가지므로, 지리 위치 프로세서는 위상 및 안테나 시스템수신 모드의 함수로서 수신 빔 성형 파라미터를 계산하고 위상 및 안테나 시스템 수신 모드의 선택된 조합을 나타내는 빔 성형기에 파라미터를 출력하여 수신 빔 성형이 제어되도록 구성되는 것이 좋다.Each base station geolocation processor may also be configured to output selected parameters to the beam shaper of the base station, the beam shaper of the base station being estimated location of the UE in which geographic location data corresponding to the estimated location of the UE is processed by the geo location processor. Control the RF module to transmit or receive communication data of the selected UE in a shaping beam comprising a. In this case, each base station RF module is preferably configured to estimate the area of receive beam coverage and calculate the receive beam shaping parameters as a function of the selected RF phase so that the relative position data of the UE is within the area of receive beam coverage. Since each base station antenna system has multiple receive modes that provide different shaping of receive beams for the same phase, the geolocation processor computes receive beam shaping parameters as a function of the phase and antenna system receive modes and receives the phase and antenna system receive. The reception beam shaping is preferably controlled by outputting parameters to the beam shaping machine indicating the selected combination of modes.
각 기지국 RF 모듈은 각 전송 빔이 개별 UE에 대한 통신 신호를 전달할 수 있는 한 개의 전송 빔 이상을 제공할 수 있는 능력을 가질 수 있다. 이 경우에, 이 경우에, 각 RF 모듈과 동작 가능하게 연관되는 각 빔 성형기는 기지국의 안테나 어레이 시스템이 생성할 수 있는 전송 빔의 범위 내에서 원하는 전송 빔을 성형한다.Each base station RF module may have the ability to provide more than one transmit beam for each transmit beam to carry a communication signal for an individual UE. In this case, in this case, each beam shaper operatively associated with each RF module forms the desired transmission beam within the range of transmission beams that the antenna array system of the base station can generate.
각각의 UE는 채널 프로세서에 연결된 모뎀을 포함하는 것이 좋다. 연관된 안테나 어레이 시스템을 가지는 UE RF 모듈은 모뎀과 연결된다. UE는 채널 프로세서와 연결된 지리 위치 프로세서를 구비할 수 있고, 이 지리 위치 프로세서는 기지국에서 사용하는 UE RF 모듈 안테나로부터 데이터가 전송되는 GPS(Global Positioning Satellite) 시스템을 이용해서 현재 UE의 지리 위치 데이터를 결정하도록 구성된다. 각각의 UE는 UE RF 모듈과 동작 가능하게 연관된 빔 성형기를 포함할 수 있고 상기 빔 성형기는 UE 안테나 어레이 시스템이 생성할 수 있는 빔의 범위 내에서 원하는 빔을 성형한다. 이 경우에, UE 빔 성형기에 연결되는 지리 위치프로세서는 선택된 지기국의 기지 위치의 데이터에 관한 UE 추정 위치의 UE 지리 위치 데이터를 처리하여 선택된 제어 파라미터를 빔 성형기에 출력하도록 구성된다. UE 빔 성형기는 선택된 기지국의 기지 위치에 관한 UE 지리 위치 데이터가 UE 지리 위치 프로세서에 의해 처리되는 선택된 기지국의 기지 위치를 포함하는 성형 빔으로 상기 선택된 기지국의 통신 데이터를 전송 또는 수신하도록 UE RF 모듈을 제어한다.Each UE preferably includes a modem coupled to the channel processor. The UE RF module with associated antenna array system is connected with the modem. The UE may have a geolocation processor coupled to a channel processor, which uses the Global Positioning Satellite (GPS) system where data is transmitted from a UE RF module antenna used by a base station. Configured to determine. Each UE may include a beam shaper operatively associated with the UE RF module, which beam shaper forms the desired beam within the range of beams that the UE antenna array system can generate. In this case, the geolocation processor coupled to the UE beamformer is configured to process the UE geolocation data of the UE estimated position with respect to the data of the known position of the selected base station to output the selected control parameter to the beamformer. The UE beam shaper is configured to send or receive a UE RF module to transmit or receive communication data of the selected base station with a shaped beam that includes the known location of the selected base station where the UE geolocation data regarding the known location of the selected base station is processed by the UE geolocation processor. To control.
당업자라면 다음의 설명으로부터 본 고안에 대한 기타 목적과 장점을 이해할 수 있을 것이다.Those skilled in the art will understand the other objects and advantages of the present invention from the following description.
도 1a와 도 1b는 종래의 셀 레이아웃과 전송 패턴을 도시하는 도면.1A and 1B show a conventional cell layout and transmission pattern.
도 2는 사용자의 특정 집중을 처리하기 위해 성형된 전송 빔의 동적 이용을 나타내는 도면.2 illustrates the dynamic use of a shaped transmission beam to handle a particular concentration of a user.
도 3은 기지국에 결함이 있는 경우 성형된 전송 빔의 동적 이용을 나타내는 도면.3 illustrates the dynamic use of shaped transmit beams when there is a defect in the base station.
도 4는 셀 커버리지의 동적 재할당에 대한 흐름도.4 is a flow chart for dynamic reallocation of cell coverage.
도 5a 내지 도 5e는 여러 상황에서 무선 빔 커버리지를 사용자 장치(UE)에 제공하기 위해 빔 성형을 이용하는 기지국을 도시하는 도면.5A-5E illustrate base stations using beam shaping to provide wireless beam coverage to a user equipment (UE) in various situations.
도 6은 지리 위치에 기초한 빔 성형을 구현하기 위한 흐름도.6 is a flow chart for implementing beamforming based on geographic location.
도 7은 본 고안의 지침에 따른 지리 위치 이용 빔 성형 이동 통신 시스템에 대한 기지국과 UE 구성 요소의 블록도.7 is a block diagram of a base station and UE components for a geolocation using beamforming mobile communication system in accordance with the teachings of the present invention.
도 8은 한 셀에서 다른 셀로 UE가 이동할 때의 핸드오버 시나리오를 도시하는 도면.8 illustrates a handover scenario when a UE moves from one cell to another.
도 9는 스마트 핸드오버를 위해 협력 기지국들간의 협상 프로세스를 나타내는 도면.9 illustrates a negotiation process between cooperating base stations for smart handover.
도 10은 본 고안의 지침에 따른 스마트 핸드오버를 이용해서 빔 성형 기지국이 지원하는 사용자 장치를 나타내는 도면.10 illustrates a user device supported by the beamforming base station using smart handover according to the instructions of the present invention.
도 11은 빔 성형 기지국과의 스마트 핸드오버 단계를 나타내는 흐름도.11 is a flowchart illustrating a smart handover step with a beamforming base station.
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
20 : 기지국20: base station
22, 32 : 채널 프로세서22, 32: channel processor
24, 34 : 모뎀 장치24, 34: modem device
26, 36 : RF 모듈26, 36: RF module
27 : 안테나 어레이 시스템27: antenna array system
28, 38 : 빔 성형기28, 38: beam forming machine
29, 39 : 지리 위치 프로세서29, 39: geolocation processor
30 : 사용자 장치30: user device
37 : 연관 안테나37: associative antenna
무선 통신 시스템의 처음 셀 커버리지는 도 1b에 도시하는 종래의 방식으로 구성될 수 있다. 그러나, 엄격하게 정해진 커버리지 구역을 유지하는 대신에, 본 고안에서는 실제 실시간 시스템의 가용 요구에 적합하도록 셀 커버리지의 동적 성형을 채용한다. 라디오 리소스, 커버리지 구역 및 사용자 서비스는 이웃에서 서로 협력하는 다수의 기지국들 간에 양호하게 분할될 수 있다. 이것에 의해 시스템의 능력, 이용 및 효율이 증가한다.Initial cell coverage of a wireless communication system can be configured in the conventional manner shown in FIG. 1B. However, instead of maintaining a tightly defined coverage area, the present invention employs dynamic shaping of cell coverage to suit the available needs of a real-time system. Radio resources, coverage areas, and user services can be well partitioned among multiple base stations that cooperate with one another in a neighborhood. This increases the capacity, utilization and efficiency of the system.
이제, 기지국으로부터 전송 빔의 동적 성형에 대해 주로 설명하다. 그러나, 당업자라면, 또한 빔 성형이 수신 시에도 적용된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다양한 형태의 양방향 통신에 있어서의 데이터 요건은 동일한 통신의 업링크부와 다운링크부에서 상당히 상이할 수 있으며, 전송 및 수신의 빔 성형을 독립적으로 제어하는 것이 좋다.Now, the dynamic shaping of the transmission beam from the base station is mainly described. However, one of ordinary skill in the art will also appreciate that beam shaping is also applied upon reception. The data requirements for the various forms of bidirectional communication can be quite different in the uplink and downlink portions of the same communication, and it is better to independently control the beam shaping of transmission and reception.
각 셀의 기지국은 위상 안테나 어레이나 유사한 안테나 시스템을 채용하는 것이 좋다. 종래 기술에 알려져 있는 바와 같이, 위상 안테나 어레이 및 기타 종래의 시스템에 의해 기지국은 선택 사이즈를 가진 빔을 선택 방향으로 전송시킬 수 있다(또는 수신할 수 있다). 위상 안테나 어레이에 있어서, RF 신호 위상을 조절하여 전송 빔을 지향시킬 수 있고, 신호 전력을 조절하여 빔의 사이즈를 제어할 수 있다. 또한, 안테나 선택 및 사이즈는 빔의 성형과 사이즈를 좌우할 수 있다. 예를 들어, 기지국은 2개의 안테나 어레이로된 안테나 시스템을 구비할 수 있는데, 그 중 한 안테나는 주어진 방향에서 상대적으로 폭이 좁은 빔을 생성하고, 다른 안테나는 주어진 방향에서 비교적 폭이 넓은 빔을 생성한다.It is preferable that the base station of each cell adopt a phase antenna array or a similar antenna system. As is known in the art, a phased antenna array and other conventional systems allow a base station to transmit (or receive) a beam having a selected size in a selection direction. In the phase antenna array, the RF signal phase may be adjusted to direct the transmission beam, and the signal power may be adjusted to control the size of the beam. In addition, antenna selection and size may influence the shaping and size of the beam. For example, a base station may have an antenna system of two antenna arrays, one of which produces a relatively narrow beam in a given direction and the other of which produces a relatively wide beam in a given direction. Create
상기 파라미터들의 조절을 통해, 2개 이상의 이웃하는 셀은 함께 선택되는 셀 모두에게 더욱 적합한 방식으로 각각의 기지국에 의해 커버되는 구역을 협상 및 재구성할 수 있다. 기지국은, 그 기지국에 의해 현재 커버되는 구역의 사용자로부터의 과도한 요구의 결과로서 또는 적은 트래픽량으로 이루어지는 과잉 리소스의 결과로서, 인접 셀의 하나 이상의 이웃들과 협상 프로세스를 개시할 수 있다. 전술한 이유에 추가하여. 셀이 협상 프로세서를 개시할 수 있는 다른 이유도 있다. 협상 프로세스 그 자체는 협력하는 기지국들 간의 인터페이스를 이용해서 이들 기지국 사이에서 일련의 메시지 교환을 수반하는 것이 좋다. 협상 프로세스가 종료될 때에는, 셀의 그룹은 커버되는 전체 구역의 새로운 분할 단계에 도달할 수 있으므로, 총괄적인 동작 성능이 향상될 수 있다. 각각의 기지국에 의해 커버되는 새로운 구역은 안테나 어레이의 빔 성형 기술에 의해 RF 에너지로 조명된다.Through the adjustment of the parameters, two or more neighboring cells can negotiate and reconstruct the area covered by each base station in a manner more suitable for all of the cells selected together. A base station can initiate a negotiation process with one or more neighbors of a neighboring cell, either as a result of excessive demand from a user in the area currently covered by the base station, or as a result of excess resources made up of low traffic volume. In addition to the above reasons. There are other reasons why a cell can initiate a negotiation processor. The negotiation process itself may involve a series of message exchanges between these base stations using interfaces between cooperating base stations. At the end of the negotiation process, the group of cells can reach a new partitioning step of the entire area covered, so that the overall operational performance can be improved. The new area covered by each base station is illuminated with RF energy by the beam shaping technique of the antenna array.
도 2와 도 3은 시나리오의 예를 나타내고 있다. 도 2는 기지국(BS1) 구역과, 기지국(BS1)과 기지국(BS3) 사이에 있는 구역에서의 사용자의 집중을 나타내고 있다. 이들 구역에서 사용자 집중이 높다고 판정됨에 따라, 기지국(BS1)과 기지국(BS3)의 안테나 어레이는, 필요한 무선 리소스(radio resource)를 사용자 집중에 제공하도록 선택 성형되어 지향된 빔을 송신하는 데 사용된다. 도 3은 기지국(BS3)에 결함이 있는 상황을 나타내고 있다. 기지국(BS1)과 기지국(BS2)은, 정상 상태에서 기지국(BS3)이 서비스하는 구역의 사용자에게 필요한 무선 리소스를 제공하기 위해 선택 성형되어 지향된 빔을 송신하는 데 이용된다.2 and 3 show examples of scenarios. 2 shows the user's concentration in the zone that is between the base station (BS 1) and the zone, the base station (BS 1) to a base station (BS 3). As it is determined that user concentration is high in these zones, the antenna arrays of base stations BS 1 and BS 3 are adapted to transmit beams that are selectively shaped and directed to provide the user with the necessary radio resources. Used. 3 shows a situation in which the base station BS 3 is defective. The base station BS 1 and the base station BS 2 are used to transmit the beam beams that are selectively shaped and directed to provide the necessary radio resources to the users of the area served by the base station BS 3 in the normal state.
도 4는 안테나 어레이를 이용해서 기지국 커버리지를 동적으로 재할당하는 단계에 수반된 통상의 일련 단계들을 나타내는 흐름도이다. 먼저, 재할당을 트리거하기 위해 파라미터가 설정된다. 트리거 이벤트를 추적하고 판정하기 위해서, 네트워크는 각 기지국과 UE간의 활성 통신수와 UE 위치의 추적을 계속해서 하는 것이 좋다. 이동 UE 위치가 연속해서 변화될 수 있기 때문에, 상기 정보는 빠른 속도로 업데이트되는 것이 좋다.4 is a flow diagram illustrating typical sequence of steps involved in dynamically reallocating base station coverage using an antenna array. First, a parameter is set to trigger reallocation. In order to track and determine the trigger event, the network may continue to track the active operator and UE location between each base station and the UE. Since the mobile UE location may change continuously, the information is preferably updated at a high rate.
UE의 위치와 함께, UE의 속도 및 방향도 또한 UE에 의해 보고되거나 BS에 의해 추정될 수 있다. 지리학적인 지도 정보와 결합된 이 정보들은 UE의 미래 위치를 예상하는데 이용될 수 있다. 이 정보들은 (1) UE에 의해 BS에 전송되어야 하는 위치 데이터의 주파수를 낮추는 데 이용되고 (2) 네트워크가 (가까운)미래에 최대 수용 능력에 도달할 것인지 결정하는 데 이용될 수 있다. 후자의 경우 빔 성형 결정 프로세스에서 고려될 수 있다.Along with the location of the UE, the speed and direction of the UE may also be reported by the UE or estimated by the BS. This information combined with geographic map information can be used to predict the future location of the UE. This information can be used to (1) lower the frequency of location data that must be transmitted by the UE to the BS and (2) determine whether the network will reach maximum capacity in the (near) future. The latter case can be considered in the beam shaping determination process.
이 데이터에 의해 네트워크는 특정 기지국이 최대 수용 능력에 도달하였는지곧 최대 수용 능력에 이를 것인지를 결정할 수 있다. 재할당 프로세스는 이어서 특정 기지국과의 동시 사용자 통신의 임계수나 데이터 트래픽량의 임계량이 도달할 때 트리거될 수 있다. 인접 셀에서 진행 중인 통신수를 비교하고, 충분히 그 수가 적다면, 2개 이상의 기지국간의 협상 프로세스가 시작된다. UE 위치를 알고 있으므로, 소구역에서의 실질적으로 높은 사용자 집중이 트리거 이벤트로서 이용될 수도 있다. 인접 기지국에 의해 커버되는 보조 커버리지를 제공하기 위해 기지국 결함도 트리거 이벤트로서 정해지는 것이 좋다.This data allows the network to determine whether a particular base station has reached its maximum capacity or will soon reach its maximum capacity. The reallocation process may then be triggered when a threshold number of concurrent user communications with a particular base station or a threshold amount of data traffic amount is reached. Compare the number of operators in progress in neighboring cells, and if they are small enough, the negotiation process between two or more base stations begins. Since the UE location is known, substantially high user concentration in the subregions may be used as the trigger event. Base station defects are also preferably defined as trigger events to provide secondary coverage covered by neighboring base stations.
협상 프로세스는, 트리거 이벤트에 의해 개시되고 나서, 특정 기지국과 통신하는 UE에 대해 UE 위치 데이터를 모두 평가하는 단계와, UE의 많은 서비스 분배에 동일하거나 낮은 신호대 잡음비(SNF)를 제공하는 특정 기지국에 이용 가능한 빔 패턴과 상기 기지국을 매칭시키는 단계를 시작한다. 일단 협상 프로세스가 완료되면, 기지국은 협상 프로세스 중에 결정된 UE에 빔을 제공하도록 기지국에서 전송되는 RF 신호를 재포커싱한다.The negotiation process is initiated by a trigger event and then evaluates all of the UE location data for the UE communicating with the particular base station, and provides the particular base station with the same or lower signal-to-noise ratio (SNF) for many service distributions of the UE. Matching the base station with the available beam pattern begins. Once the negotiation process is complete, the base station refocuses the RF signal transmitted from the base station to provide a beam to the UE determined during the negotiation process.
빔 성형 선택은 UE 지리 위치 데이터를 이용해서 결정되는 것이 좋다. 데이터 트래픽량도 특히, 빔 성형이 다수의 UE와의 통신에 적용될 때 중요한 고려 사항이 된다.Beam shaping selection is preferably determined using the UE geolocation data. The amount of data traffic is also an important consideration, especially when beam shaping is applied to communication with multiple UEs.
도 5a는 기지국(10)이 단일 UE(도면에서는 UE1)에 무선 빔(12)을 포커싱하는 기본적인 경우를 도시하고 있다. 기지국의 빔은 타깃 사용자(이 경우, UE1)의 위치 및/또는 위치에 대한 확실한 정보를 이용해서 성형된다.FIG. 5A shows the basic case where the base station 10 focuses the radio beam 12 on a single UE (UE 1 in the figure). The beam of the base station is shaped using reliable information about the location and / or location of the target user (in this case UE 1 ).
도 6은 프로세스의 예시적인 흐름도를 나타내고 있다. 첫번째 단계는 타깃 UE 및/또는 UE들의 위치 및/또는 위치들을 결정하는 것으로 이루어진다. 이것은 1) GPS를 기초로 한 기술와 같은, UE에 기초한 방법, 2) TDOA(Time Difference Of Arrival), Angle Of Arrival(AOA)에 기초한 방법과 같은, 네트워크 삼각 측량 방법, 3) UE와 네트워크 양쪽에 관여된 하이브리드 방법을 포함하는 잘 알려져 있는 기술을 이용하여 달성되는 것이 좋다. UE에 기초한 기술을 이용할 때, 제2 통신 단계에서 네트워크는 각 타깃 UE에 대한 위치 데이터를 알고 있어야만 한다. 이 프로세스는 UE와 네트워크간에 적절하게 설계된 메시지의 교환으로 이루어진다.6 shows an exemplary flow chart of the process. The first step consists in determining the location and / or locations of the target UE and / or the UEs. This is true for network triangulation methods, such as 1) UE-based methods, such as GPS-based techniques, 2) TDOA (Time Difference Of Arrival), and Angle Of Arrival (AOA) -based methods, and 3) both UE and network. It is desirable to achieve this using well known techniques, including involving hybrid methods. When using a UE based technology, the network must know the location data for each target UE in the second communication phase. This process consists of the exchange of appropriately designed messages between the UE and the network.
이어서 타깃 UE의 위치 데이터에 기초한 결정 처리 단계를 포함하는 것이 좋은 빔 성형 계산 단계로 진행된다. 이 단계에서, 네트워크는 네트워크에 의해 적절하거나 및/또는 적합하다고 간주된 방식으로 타깃 UE를 서비스하기 위하여 빔 성형의 특성을 결정한다. 이 결정 프로세스는 또한 양방향 통신 프로세스를 포함할 수도 있으며, UE는 또한 결정 프로세스에 관여된다. 마지막으로, UE의 지리 위치 데이터가 반영하는 UE의 위치를 커버하는 선택적인 사이즈를 가지는 지향된 RF 빔을 생성하기 위해 결정 프로세스에 기초하여 빔이 형성된다.It then proceeds to a good beam shaping calculation step that includes a decision processing step based on the position data of the target UE. In this step, the network determines the characteristics of the beam shaping to serve the target UE in a manner deemed appropriate and / or deemed appropriate by the network. This decision process may also include a two-way communication process, in which the UE is also involved in the decision process. Finally, a beam is formed based on the decision process to generate a directed RF beam having an optional size that covers the location of the UE reflected by the geographic location data of the UE.
기지국(20)과 UE(30)의 관련 구성 요소의 블록도가 도 7에 도시되어 있다.기지국(20)은 데이터를 처리 및 포맷하는 채널 프로세스(22)를 경유하여 네트워크 요소에 연결되는 것이 좋다. 기지국/네트워크 인터페이스는 와이어라인(wireline), 무선 또는 그외 다른 접속 형태일 수 있다.A block diagram of the relevant components of the base station 20 and the UE 30 is shown in FIG. 7. The base station 20 is preferably connected to a network element via a channel process 22 for processing and formatting data. . The base station / network interface may be in the form of wireline, wireless or other connection.
채널 프로세스(22)는 모뎀 장치(24)와 연결된다. 모뎀 장치(24)는 전송 신호를 변조하고 수신 신호를 복조한다. RF 모듈(26)은 연관된 위상 안테나 어레이 시스템(27)을 구비하며 모뎀(24)과 연결된다. RF 모듈(26)은 기지국의 모뎀 장치(24)로부터 수신된 변조 신호를 전송을 위한 선택된 반송파 주파수로 변환한다. RF 모듈(26)은 전력과, RF 위상 및 안테나 선택을 선택 조절하여 안테나 어레이 시스템(27)이 생성할 수 있는 빔의 범위에서 원하는 빔을 성형할 수 있는 빔 성형기와 동작 가능하게 연결된다. 지리 위치 프로세서(29)는 UE 지리 위치 데이터를 처리하여 빔 성형기(28)에 선택된 파라미터를 출력한다.Channel process 22 is coupled to modem device 24. The modem device 24 modulates the transmitted signal and demodulates the received signal. The RF module 26 has an associated phased antenna array system 27 and is connected to the modem 24. The RF module 26 converts the modulated signal received from the modem device 24 of the base station to the selected carrier frequency for transmission. The RF module 26 is operatively connected to a beam shaper that can shape the desired beam in the range of beams that the antenna array system 27 can generate by selectively adjusting power, RF phase and antenna selection. The geolocation processor 29 processes the UE geolocation data and outputs the selected parameters to the beam shaper 28.
안테나 시스템(27)은 각도 지향된 빔의 연속 범위 또는 각도 지향된 빔의 이산 범위를 가질 수 있다. 빔 범위는 또한 특정 각도 지향에 이용 가능한 다양한 빔 폭을 가질 수도 있다. RF 모듈(26)은 각각의 빔이 개별 UE에 대한 통신 신호를 전달할 수 있도록 하나 이상의 전송 빔을 제공할 수 있게 구성되는 것이 좋다. 수신 시의 빔 성형은 사용자 통신의 데이터 흐름이 종종 비대칭적이기 때문에 전송 시의 빔 성형과 독립적인 것이 좋다. 예를 들어, UE가 파일 다운로드를 위해 데이터 링크를 요청한다면, UE로의 다운링크 데이터는 대기 상기 통신 시에 기지국으로의 업링크 데이터 흐름보다 실질적으로 더 많을 것이다.Antenna system 27 may have a continuous range of angular oriented beams or a discrete range of angular oriented beams. The beam range may also have various beam widths available for specific angular orientations. The RF module 26 is preferably configured to provide one or more transmit beams such that each beam can carry a communication signal for an individual UE. Beam shaping at reception is preferably independent of beam shaping at transmission since the data flow of user communication is often asymmetric. For example, if the UE requests a data link for file download, the downlink data to the UE will be substantially more than the uplink data flow to the base station in the standby communication.
UE(30)는 모뎀 장치(34)와 연결되는, 데이터를 처리 및 포맷하는 채널 프로세스(32)를 포함한다. 애플리케이션 프로세서(33)가 설치되어 각종 음성 및 데이터 처리 애플리케이션을 지원할 수 있다. 모뎀 장치(34)는 전송 신호를 변조하고 수신 신호를 복조한다. RF 모듈(36)은 연관된 안테나(37)를 구비하고 모뎀(34)과 연결된다. RF 모듈(36)은 UE 모뎀(34)으로부터 수신된 변조 신호를 전송을 위해 선택된 반송파 주파수로 변환한다. 지리 위치 프로세서(39)가 설치되어 GPS 시스템으로부터 UE 지리 위치를 결정하고, 이 지리 위치는 이동 UE를 위해 빈번한 간격으로 기지국(20)에 전송되는 것이 좋다.The UE 30 includes a channel process 32 for processing and formatting data that is coupled with the modem device 34. An application processor 33 may be installed to support various voice and data processing applications. The modem device 34 modulates the transmitted signal and demodulates the received signal. The RF module 36 has an associated antenna 37 and is connected to the modem 34. The RF module 36 converts the modulated signal received from the UE modem 34 to the carrier frequency selected for transmission. A geolocation processor 39 is installed to determine the UE geolocation from the GPS system, which geolocation is preferably transmitted to the base station 20 at frequent intervals for the mobile UE.
UE에는, 전력과 RF 위상 및 안테나 선택을 선택적으로 조절하여 안테나 어레이 시스템(37)이 생성할 수 있는 빔의 범위에서 원하는 빔을 성형할 수 있는 (가상으로 도시된)빔 성형기가(38)가 설치된다. 이 경우에, 설치된 지리 위치 프로세서(39)는 UE 지리 위치 데이터를 처리하고 선택된 파라미터를 UE의 빔 성형기에 출력한다. UE 전송 및/또는 수신에 적합한 빔 성형을 이용하면, UE와 네트워크 양쪽에서 SNR 감소라는 잇점이 있게 된다. 지향된 빔을 전송하게 되면, 대다수의 경우에 다른 시스템 기지국의 UE 또는 빔 외부에 있는 UE에 의해 생성된 간섭량을 감소시킬 수 있을 것이다.The UE has a beam shaper 38 (virtually shown) that can selectively adjust power, RF phase and antenna selection to shape the desired beam in the range of beams that the antenna array system 37 can generate. Is installed. In this case, the installed geolocation processor 39 processes the UE geolocation data and outputs the selected parameters to the beam shaper of the UE. Using beamforming suitable for UE transmission and / or reception has the advantage of SNR reduction in both the UE and the network. Transmitting the directed beam will in most cases reduce the amount of interference generated by the UE of another system base station or a UE outside of the beam.
편의상, 각 UE에 대한 지리 위치 데이터는 빔이 UE에 전송될 기지국 안테나 위치에 대해 극 좌표로 설명될 수 있다. 도 5a를 참조하여, 동작에 있어서, 기지국은 UE1의 위치 데이터를 (θ1, d1)로서 수신하는데, 여기서 θ1는 기지국 안테나 시스템의 0도 기준선에서부터 UE의 각을 나타내고, d1는 기지국 안테나 시스템 위치에서부터 UE의 추정 거리를 나타낸다.For convenience, the geographic position data for each UE may be described in polar coordinates with respect to the base station antenna position where the beam will be transmitted to the UE. Referring to FIG. 5A, in operation, the base station receives the position data of UE 1 as (θ 1 , d 1 ), where θ 1 represents the angle of the UE from the 0 degree baseline of the base station antenna system, and d 1 is It shows the estimated distance of the UE from the base station antenna system position.
동적 빔 성형이 UE에 의해 채용되므로, UE에 대한 지리 위치 데이터는 UE가 통신하고 있는 선택 기지국의 알려져 있는 위치에 대한 극좌표에 의해서 유사하게 설명된다. 이 경우, 상대 위치 데이터 좌표 θ는 UE의 0도 기준선에서부터 선택된 기지국의 각을 나타내고, d는 선택된 기지국으로부터 UE의 추정 거리를 나타낸다.Since dynamic beamforming is employed by the UE, the geographic location data for the UE is similarly described by polar coordinates for the known location of the selected base station with which the UE is communicating. In this case, the relative position data coordinate θ represents the angle of the selected base station from the zero degree reference line of the UE, and d represents the estimated distance of the UE from the selected base station.
위상 안테나 어레이 시스템이 채용되므로, 빔 커버리지 구역(Abeam)은 RF 위상(φ)과, 전송 빔의 경우 전송 전력(P)의 함수 F( )가 된다. 채용된 특정 안테나 시스템은 동일 위상 및 전력에 대해 상이한 빔의 성형을 제공하는 다양한 안테나 선택 모드(M)을 제공할 수 있으며, 예컨대, 주어진 위상에 대해 폭이 넓은 빔과 폭이 좁은 빔을 이용할 수 있다. 따라서, 일반적으로,Since the phase antenna array system is employed, the beam coverage area A beam becomes the RF phase φ and, in the case of a transmission beam, a function F () of the transmit power P. The particular antenna system employed can provide a variety of antenna selection modes (M) that provide shaping of different beams for the same phase and power, for example using a wide beam and a narrow beam for a given phase. have. Thus, in general,
Abeam= F(φ,P,M) (전송 시)A beam = F (φ, P , M ) (when transmitting)
Abeam= F(φ,M) (수신 시)A beam = F (φ, M ) (when received)
빔 방향(θbeam)은 본래 위상 함수, θbeam= f(φ)이다.The beam direction θ beam is originally a phase function, θ beam = f (φ).
Abeam= F(f-1(θbeam),P,M) (전송 시)A beam = F (f -1 (θ beam ), P , M ) (when transmitting)
Abeam= F(f-1(θbeam),M) (수신 시)A beam = F (f -1 (θ beam ), M ) (on reception)
도 5a에 이 식을 적용하면 UE1를 커버할 수 있는 전송 빔(12)이 제공된다.Applying this equation to FIG. 5A provides a transmit beam 12 that can cover UE 1 .
Abeam12= F(f-1(θ1),P, M)A beam12 = F (f -1 (θ 1 ), P, M )
여기서,P과M을 선택하면 Abeam12은 적어도 거리 d1으로 확장된다.Here, if P and M are selected, A beam12 extends at least the distance d 1 .
양방향 빔을 가지는 위상 어레이 안테나가 사용될 수 있다. 통상, 상기 안테나는 축에서 대칭되는 빔을 지향시킨다. 그 축에 대한 안테나 각도 0도를 기준으로 정함으로써, 위상(φ)에 대한 빔 방향(θbeam)의 함수 관계식은 다음과 같이 절대값으로서 표현될 수 있다.Phased array antennas with bidirectional beams can be used. Typically, the antennas direct beams that are symmetrical in axis. By setting the antenna angle with respect to the axis 0 degrees as a reference, the functional relation of the beam direction [theta] beam with respect to the phase [phi] can be expressed as an absolute value as follows.
여기서, UE 위치 데이터의 극좌표 표현이 전환되므로, 각도 데이터(θ)는 기지국의 0도 각도 기준에서부터 ±180 도에 이르게 된다. 즉 -180°≤θ≤180°이다.Here, since the polar coordinate representation of the UE position data is switched, the angle data θ reaches ± 180 degrees from the 0 degree angle reference of the base station. That is, -180 ° ≤θ≤180 °.
빔 성형 파라미터 선택에 있어서 주요 인수, 특히P,M은 수신 신호의 신호 대 잡음(간섭)비(SNR)를 적절하게 유지시키는 것이다. 수용 능력이나 커버리지가 제한된 시스템에 있어서의 목표는 대개, 가능한 최고 SNF를 달성하는 것이다. CDMA 와 같이 간섭 제한된 시스템에서의 목표는 링크의 요구에 대해, 다른 링크로의 불필요한 간섭이 유입되지 않도록 그다지 높지 않지만 충분한 QoS를 보장하기 위해 어느 정도의 최소 SNR를 충족하는 것이다. SNR은S÷I이며, 여기서,S는 원하는 신호이고I는 간섭이다. 일반식은 다음과 같다.The main factor in selecting beamforming parameters, in particular P and M, is to properly maintain the signal-to-noise (interference) ratio (SNR) of the received signal. In systems with limited capacity or coverage, the goal is usually to achieve the highest possible SNF. In interference limited systems such as CDMA, the goal is to meet a certain minimum SNR to the demands of the link, but not so high that no unnecessary interference to other links is introduced. SNR is S ÷ I , where S is the desired signal and I is the interference. The general formula is:
여기서,S b 는 수신기에서 원하는 신호,Where S b is the desired signal at the receiver,
N 0 는 잡음이며 N 0 is noise
ΣS k 는 다른 통신에 의한 신호 간섭의 합이다.Σ S k is the sum of signal interference due to other communication.
S k 값의 특성은 이용에 있어 변조에 대개 의존하며, 거리에 대해 역관계식을 갖는다.The nature of the S k value is largely dependent on the modulation in its use and has an inverse relationship to distance.
도 5b 내지 도 5d는 다양한 시나리오를 나타내고 있다. 도 5b에서, UE2와 UE3은 충분히 떨어져 있으므로, 기지국 안테나 어레이(10)에서부터 각각의 UE상에 형성된 빔이 가용하다. 전송 시에, UE2에 지향된 빔은 UE3에 지향된 빔으로부터 많이 치우쳐 있다. 그러므로, 수신 신호의 각각의 SNR가 저하될 만큼 어느 쪽에서도 실질적인 간섭을 주지 않는다.5B-5D illustrate various scenarios. In FIG. 5B, since UE 2 and UE 3 are sufficiently separated, a beam formed on each UE from base station antenna array 10 is available. In transmission, the beam directed at UE 2 is heavily skewed from the beam directed at UE 3 . Therefore, there is no substantial interference on either side so that each SNR of the received signal is lowered.
도 5c에 있어서, 빔은 실질적으로 중첩되고, 이것은 각각의 신호가 서로에게 상당한 간섭을 주고 있다는 것을 나타낸다. UE2와 UE3의 어느 한 쪽에서, 다른 쪽의 전송이 실질적인 잡음 인수로서 여겨질 것이다. 도 5d에 있어서, 2개의 같은 UE( UE2, UE3)는 하나의 폭이 넓은 빔에 의해 커버되는 위치와 동일한 위치에 있는 것으로 도시된다. 각 UE에서의 신호는 다른 UE에 두번째 신호가 없기 때문에, 하나를 더 약한 간섭으로 이해하여 간섭 비에서 분모인 신호가 향상된다. UE에 도달하는 전력이 일정하게 유지되면, 폭이 넓은빔 성형을 반영하는 모드 파라미터(M)는 도 5c에 도시하는 것보다 SNR이 향상되게 결정된다.In FIG. 5C, the beams are substantially superimposed, indicating that each signal is having significant interference with each other. In either of UE 2 and UE 3 , the transmission on the other side will be considered as the actual noise factor. In FIG. 5D, two identical UEs (UE 2 , UE 3 ) are shown in the same position as the position covered by one wide beam. Since the signal at each UE has no second signal at the other UE, it is understood that one is weaker interference, so that the signal which is the denominator in the interference ratio is improved. If the power reaching the UE remains constant, the mode parameter M reflecting the broad beam shaping is determined to improve the SNR than shown in Fig. 5C.
실제 적용 시에는, 다른 변수들이 유입될 수 있다. 송신기의 전력 제한이나아주 먼 거리에서의 간섭 가능성은 기지국으로부터의 전송 시에 UE에 도달하는 낮은 전력을 실제 필요로 할 것이며, 확장된 빔으로 인해 다른 소스로부터의 잡음 증가가 발생할 수 있다. 특히, 셀 재할당을 위해 2개 이상의 인접 기지국의 빔이 결정되므로, 인접 셀에 의해 전송되는 빔의 전력과 성형을 고려하여 그 프로세스에 관여된 기지국에 맞는 적합한 빔을 결정하는 것이 좋다.In practical application, other variables may be introduced. The power limitation of the transmitter or the possibility of interference at very far distances will actually require low power to reach the UE upon transmission from the base station, and the extended beam may result in increased noise from other sources. In particular, since the beams of two or more neighboring base stations are determined for cell reassignment, it is good to consider the power and shaping of the beams transmitted by the neighboring cells to determine the appropriate beam for the base station involved in the process.
덧붙혀서, 통신의 형태가 다르면 데이터 속도 및 서비스 요건의 품질이 달라지기 때문에 통신 형태를 고려해야 한다. 예를 들어, 데이터 파일 전송은 비교적 저속에서 수행될 수 있지만, 전송된 프로그램 파일이 정확하게 동작하기 위해서는 컴퓨터 데이터 프로그램 파일의 모든 비트가 보통 정확해야 하므로 고품질의 서비스를 필요로 한다. 음성 또는 비디오 회의에 있어서, 저품질의 서비스 요건을 가질 수 있지만, 인터럽트없이 실시간으로 수행될 때 사용자가 음성 또는 비디오 회의를 볼 수 있도록 고속의 데이터 속도이어야 한다. 음악이나 비디오 스트리밍 통신은 다운 링크 시에 유사한 서비스 품질과 데이터 속도 요건을 가질 수 있지만, 업링크 요건에 비해 매우 비대칭적일 수 있다. 따라서, 기지국(10)과, 각각의 UE2와 UE3사이의 2개의 개별 통신에 대한 서비스 요건 품질과 비대칭적적인 데이터 속도로 인해, 도 5c는 기지국(10)으로부터 UE2와 UE3에 선택적으로 형성된 다운링크 전송을 나타내는 것이며, 도 5d는 양쪽 UE의 통신에 있어서 기지국(10)에 대해 선택적으로 형성된 업링크 수신 빔을 나타낼 수 있다.In addition, different forms of communication require consideration of the form of communication, as the data rate and quality of service requirements vary. For example, data file transfers can be performed at relatively low speeds, but high quality services are required because all bits of a computer data program file must normally be correct for the transferred program files to operate correctly. For voice or video conferencing, it may have low quality service requirements, but at a high data rate so that the user can see the voice or video conference when performed in real time without interruption. Music or video streaming communications may have similar quality of service and data rate requirements on the downlink, but may be very asymmetric compared to uplink requirements. Thus, due to the asymmetric data rate and quality of service requirements for two separate communications between base station 10 and each of UE 2 and UE 3 , FIG. 5C is selective from UE 10 to UE 2 and UE 3 . 5D may show an uplink receive beam selectively formed for the base station 10 in communication of both UEs.
하나의 빔을 이용한 데이터 속도가 양쪽 UE의 요건을 지원하는데 적절하지않다면, 변조 포맷(속도, 심볼 당 비트수, 등)을 변경하여 하나의 빔을 이용 가능하게 것이 필요하다. 상기 변경은 분자인 신호 값을 떨어뜨리는 것이 쉽다. 따라서, 기지국의 지리 위치 프로세서는 더 좋은 상황이 하나나 두개의 빔을 포함하는 지의 여부와, 상기 빔에 필요한 전력을 결정하기 위해 비교 계산을 수행하는 것이 좋다. SNR에 기초해서 최고의 신호를 제공하는 빔을 구현하는 것이 좋다. 분모에 다소 불리하겠지만 분자에서는 향상된 분리가 더욱 분명해 질 수 있으므로, UE에 직접 포커싱하는 빔에서 빔을 회전하는 가능성을 포함하도록 계산을 확대하는 것이 가능하다.If the data rate using one beam is not suitable to support the requirements of both UEs, it is necessary to change the modulation format (rate, bits per symbol, etc.) to make one beam available. The change is easy to drop the signal value which is a molecule. Thus, the geolocation processor of the base station preferably performs a comparison calculation to determine whether a better situation includes one or two beams and the power required for the beams. It is good practice to implement a beam that provides the best signal based on the SNR. Although somewhat detrimental to the denominator, improved separation can be more apparent in the numerator, so it is possible to extend the computation to include the possibility of rotating the beam in the beam focusing directly on the UE.
도 5e는 UE 수가 증대한 경우, UE1내지 UE7를 도시하고 있다. 용이한 계산을 위해, (θi, di)로 표시되는 UEi와 (θi+1, di+1)로 표시되는 UEi, θi≤θi+1에 있어서, UE는 그 각도 극 좌표에 따라 식별될 수 있다. 임의 개수(N)의 UE에 있어서, 빔 성형 선택 프로세스는 ΔθN, 1을 비롯해서, (θi-θi+1), 즉 Δθi, i+1에서 2개의 최대값을 찾아서 기지국 안테나 어레이(10)에 대한 각도 지향에서 서로 가장 가까운 2개의 UE 그룹을 결정한다. 도 5e는 UE7과 UE1간의 각도차(Δθ7,1)와, UE3과 UE4간의 각도차(Δθ3,4)가 가장 큰 상황을 나타내며, 그래서 UE1내지 UE3의 UE와 UE4내지 UE7의 UE가 그룹핑을 위해 처음에 선택된다.5E illustrates UE 1 to UE 7 when the number of UEs increases. For ease of calculation, in the UE i and UE i, θ i ≤θ i + 1 represented by (θ i + 1, d i + 1) represented by (θ i, d i), the UE is the angle Can be identified according to polar coordinates. For any number N of UEs, the beam shaping selection process finds two maximum values at Δθ N, 1 , (θ i -θ i + 1 ), ie Δθ i, i + 1 , and then the base station antenna array ( Determine the two UE groups closest to each other in angular orientation for 10). FIG. 5E shows the situation where the angular difference Δθ 7,1 between UE 7 and UE 1 and the angular difference Δθ 3,4 between UE 3 and UE 4 are the largest, so that UE and UE of UE 1 to UE 3 are largest. UEs of 4 to UE 7 are initially selected for grouping.
이어서, 제안된 2개의 빔 할당 각각의 θbeam이 2개의 그룹 각각의 가장자리 UE 각도 지향을 양분하도록 처음에 선택될 수 있다. 도 5e의 상황에서, 첫번째 제안된 빔 할당의 θbeam은 (θ1+θ3)÷2로서 초기화되는 것이 좋고, 두번째 제안된 빔 할당의 θbeam은 (θ4+θ7)÷2로서 초기화되는 것이 좋다.The θ beam of each of the two proposed beam assignments may then be initially selected to bisect the edge UE angular orientation of each of the two groups. In the situation of FIG. 5E, the θ beam of the first proposed beam assignment is preferably initialized as (θ 1 + θ 3 ) ÷ 2, and the θ beam of the second proposed beam assignment is initialized as (θ 4 + θ 7 ) ÷ 2. It is good to be.
각각의 그룹의 가장자리 UE간의 각도 스프레드를 커버하기에 충분한 폭이 넓은 빔을 가능하게 하는 M을 선택하고, 각각의 UE 그룹에서 각각의 UE 거리 좌표 d에 반영된 거리를 신호 발사 거리가 충분히 커버할 수 있는 P를 선택한다. SNR이 대칭적인 방식으로 향상되는지 결정하기 위해 다른 그룹핑에 대해 계산이 이루어질 수 있으며 향상을 줄 수 없으면 시도되는 그룹핑 변화의 형태가 종결된다. 전술한 바와 같이 안테나 어레이가 양방향 대칭 빔을 제공하므로, 전술한 계산은 그 범위 -180°≤θ≤180°에서 전환되는 UE의 각각의 관련 각도 위치(θ)의 절대값에 기초해서 변화될 수 있다.Select M to enable a wide beam sufficient to cover the angular spread between the edge UEs of each group, and the signal firing distance can sufficiently cover the distance reflected in each UE distance coordinate d in each UE group. Select P. Calculations can be made for other groupings to determine if the SNR is improved in a symmetrical manner, and if no improvement can be made, the type of grouping change attempted is terminated. Since the antenna array provides a bidirectional symmetric beam as described above, the above calculation can be changed based on the absolute value of each relevant angular position θ of the UE switched in the range -180 ° ≤θ≤180 °. have.
동적 빔 성형은 또한 진행 중인 통신의 핸드오버를 구현하는 데 있어 유리하게 채용될 수 있다. UE 통신이 진행 중이기 위해서, UE는 셀 타워에 배치될 수 있는 기지국 안테나 시스템과 그 자신간에 RF 링크를 구축한다. UE가 이동할 때, RF 링크 변화의 특성과, UE 및/또는 셀 타워에서 수신된 신호 품질이 저하될 수 있어, 핸드오버 고려 프로세스(handover consideration process)가 트리거된다. 도 8은 한 셀의 기지국(UE1)과 통신하면서, 상이한 기지국(BS2)이 서비스하는 이웃 셀로 이동하는 UE를 나타내고 있다.Dynamic beam shaping may also be advantageously employed in implementing handover of ongoing communications. In order for UE communication to be ongoing, the UE establishes an RF link between itself and the base station antenna system, which may be deployed in the cell tower. When the UE moves, the nature of the RF link change and the signal quality received at the UE and / or cell tower may be degraded, thus triggering a handover consideration process. 8 illustrates a UE moving to a neighbor cell served by a different base station BS 2 while communicating with a base station UE 1 of one cell.
핸드오버 고려 프로세스는 UE와 다수의 후보 타깃 셀을 포함하고, 상기 후보 타깃 셀 중 하나는, 실행된다면 핸드오버를 위해 선택된다. 도 9는 스마트 핸드오버를 결정하기 위해 협력 기지국들간의 협정 프로세스를 나타내고 있다. 이 스마트 고려 프로세스 시에, 각각의 후보 셀들은 그 자체간에 통신하고 고려 사항 하에서, RF 리소스의 가용성과, UE 지원에 관련된 그외 다른 고려 사항에 대한 정보를 교환한다. 2개 이상의 인접 기지국의 빔이 셀 재할당에 대해 결정되기 때문에, 이웃 셀이 전송하는 빔의 전력과 성형을 고려하여 상기 프로세스에 관여된 기지국에 대해 적절한 빔을 결정하는 것이 좋다. 협정 프로세스는 전술한 UE 지리 위치 데이터에 기초해서 빔 성형 선택을 채용한다. 협정 결과에 의해, 비교적 낮은 SNR의 UE 커버리지를 제공하는 관여 기지국에 맞는 빔이 결정된다.The handover consideration process includes a UE and a plurality of candidate target cells, one of which is selected for handover if executed. 9 illustrates a negotiation process between cooperating base stations to determine smart handover. In this smart consideration process, each candidate cell communicates between itself and under consideration, exchanges information about the availability of RF resources and other considerations related to UE support. Since the beams of two or more neighboring base stations are determined for cell reallocation, it is advisable to determine the appropriate beam for the base station involved in the process, taking into account the power and shaping of the beams transmitted by the neighboring cells. The negotiation process employs beam shaping selection based on the UE geolocation data described above. By the agreement result, a beam is determined for the involved base station that provides UE coverage of relatively low SNR.
이 협정 단계 동안, UE는 그 안테나 어레이에 의한 포커싱된 빔과 트랙킹을 이용해서 계속해서 원래 셀 타워에 의해 지원된다. 이 경우, 핸드오버 고려 프로세스는 빡빡한 타이밍 규제로 인해 반드시 필요하지 않다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 이웃 셀이 유효하게 UE를 받아줄 수 없는 극한 경우에는, 원래 셀이 최적 위치라고 결정하여 원래 셀이 계속해서 UE를 서비스해야만 한다. 이 결정은 예컨대, 기지국(BS1)의 안테나 어레이의 빔 성형 및 트래킹 특성에 의해 행해져서 비록 UE1과 UE3이 BS1의 정규 셀 커버리지를 넘어 이동할지라도 통신을 계속해서 유지한다. 도 10에 도시한 예에 있어서, 사용자의 집중이 높다고 근사된 기지국(BS2)은 기지국(BS1)으로부터 확장된 빔을 재구성하여 UE3에 대한 서비스를 계속할 수 있도록 "스마트" 핸드오버가 결정된다.During this negotiation phase, the UE continues to be supported by the original cell tower using the focused beam and tracking by its antenna array. In this case, the handover consideration process is not necessary because of tight timing regulation. As shown in Fig. 10, in the extreme case where the neighboring cell cannot effectively receive the UE, it is determined that the original cell is the optimal position and the original cell must continue to serve the UE. This determination is made, for example, by the beam shaping and tracking characteristics of the antenna array of the base station BS 1 to maintain communication even though UE 1 and UE 3 move beyond the normal cell coverage of BS 1 . In the example shown in FIG. 10, the base station BS 2 approximated by high concentration of the user determines the "smart" handover so that the service can be continued for UE 3 by reconstructing the extended beam from the base station BS 1 . do.
도 11은 "스마트 핸드오버"를 수행하기 위한 일반적인 프로세스의 흐름도이며, 스마트 핸드오버 시에는 사실상 핸드오버가 이루어지지 않는다. 첫번째 단계는 트리거 이벤트의 발생을 통해 스마트 핸드오버 프로세스를 트리거하는 것이다. 트리거 이벤트는 잠재적인 통신 응용에서 필요하게 될 통신 동안에, UE 위치 데이터에 대한 임계와, 이동 방향을 지시하는 위치 데이터의 변화, UE 신호 품질 저하, 서비스하는 기지국 부하 및, 저속의 데이터 속도에서 고속의 데이터 속도로 스위치할 수 있는 UE의 서비스 요구의 변화를 포함하는 것이 좋다.11 is a flowchart of a general process for performing a "smart handover", in fact no handover occurs during the smart handover. The first step is to trigger the smart handover process through the occurrence of a trigger event. Trigger events may be generated at high speeds at critical data rates such as thresholds for UE location data, changes in location data indicating the direction of movement, UE signal quality degradation, serving base station load, and low data rates. It may be desirable to include a change in the service requirements of the UE that can switch at the data rate.
일단 프로세스가 트리거되면, 서비스 기지국은 관여될 기지국을 결정하고, 관여된 기지국 모두에 대해 양호한 빔 할당 패턴을 선택하는 협정 프로세스를 진행시킨다. 일단 새로운 빔 할당 프로세스가 선택되면, 각 기지국의 빔을 재포커싱하도록 프로세스가 수행된다. 핸드오버가 일어나므로, 새로운 서비스 기지국은 원 서비스 기지국이 새로운 빔 패턴을 구현하기 전에, 먼저 그것에 대해 결정된 선택 빔을 구현하고 UE 통신을 수신할 것이다.Once the process is triggered, the serving base station determines the base station to be involved and proceeds with the negotiation process of selecting a good beam allocation pattern for all involved base stations. Once the new beam allocation process is selected, the process is performed to refocus the beam of each base station. Since a handover occurs, the new serving base station will first implement the selection beam determined for it and receive the UE communication before the original serving base station implements the new beam pattern.
스마트 핸드오버와, 셀 커버리지의 전체 네트워크 동적 성형이 모두 채용되므로, 스마트 핸드오버 기준은 단지 도 4에 도시하는 셀 커버리지 프로세스의 동적 성형을 위한 트리거 이벤트로서 기능할 뿐이다.Since both smart handover and full network dynamic shaping of cell coverage are employed, the smart handover criterion merely serves as a trigger event for dynamic shaping of the cell coverage process shown in FIG.
본 고안은 소정의 특정 파라미터에 대해 설명하였지만, 당업자에게는 본 고안의 범위 내에서 다른 변형 실시예가 용이하게 이해될 것이며, 고려될 것이다.Although the present invention has been described with respect to certain specific parameters, those skilled in the art will readily appreciate and contemplate other modifications within the scope of the present invention.
본 고안을 통해 기지국 및 연관 안테나 시스템을 무선 시스템의 실제 이용에 따라 기지국 전송 및/또는 수신 빔을 재구성하는 데 동적으로 이용할 수 있고, 따라서 전체 셀 커버리지를 동적으로 변경하여 서비스 요구를 더욱 용이하게 충족할 수 있으며 네트워크 통화중 신호를 경험하게 될 미수 통신을 양호하게 피할 수 있다.The present invention enables the base station and associated antenna system to be used dynamically to reconstruct the base station transmit and / or receive beams according to the actual use of the wireless system, thus dynamically changing the overall cell coverage to more easily meet service needs. It is possible to avoid good communication which will experience network busy signal.
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